Cartographier le développement du cerveau
Les chercheurs de l'ETH cultivent des tissus cérébraux humains à partir de cellules souches et cartographient les types de cellules présents dans différentes régions du cerveau ainsi que les gènes qui régulent leur développement. Cela aide à la recherche sur les troubles du développement ou les maladies nerveuses.
Le cerveau humain est sans doute l'organe le plus complexe de toute la nature vivante. Il fascine et occupe la recherche depuis longtemps. Toutefois, l'étude du cerveau, et notamment des gènes et des commutateurs moléculaires qui régulent et orientent son développement, n'est pas chose aisée.
Jusqu'à présent, les scientifiques ont utilisé des modèles animaux, principalement des souris, mais les résultats ne peuvent pas être transposés tels quels à l'homme. La structure du cerveau de la souris est différente et il lui manque la surface sillonnée typique du cerveau humain. De même, les cultures cellulaires n'étaient jusqu'à présent que partiellement adaptées, les cellules ne s'étendant généralement que sur une surface plane sur un milieu de culture, ce qui ne correspond pas à la structure tridimensionnelle naturelle du cerveau.
Cartographier les empreintes moléculaires
Un groupe de chercheurs dirigé par Barbara Treutlein, professeure à l'ETH au Département des systèmes biologiques à B?le, vient d'emprunter une nouvelle voie pour étudier le développement du cerveau humain : il cultive et utilise des organo?des, des amas de tissus tridimensionnels de la taille d'un millimètre, qui peuvent être cultivés à partir de cellules souches dites pluripotentes.
A condition que ces cellules souches re?oivent le bon stimulus, les chercheurs peuvent les programmer pour qu'elles deviennent n'importe quelle cellule du corps, y compris des cellules nerveuses. Si les cellules souches sont agrégées dans une petite boule de tissu puis exposées au stimulus approprié, elles peuvent même s'auto-organiser et former un organo?de cérébral tridimensionnel avec une architecture tissulaire complexe.
Dans une nouvelle étude qui vient d'être publiée dans la revue spécialisée page externeNature Treutlein et ses collaborateurs ont caractérisé de manière très détaillée des milliers de cellules individuelles d'un organo?de cérébral à différents moments, c'est-à-dire qu'ils ont enregistré l'ensemble des transcrits de gènes (transcriptome) comme mesure de l'activité des gènes, mais aussi l'accessibilité du génome comme mesure de l'activité régulatrice. Ils ont pu représenter ces données dans une sorte de carte géographique sur laquelle est cartographiée l'empreinte moléculaire de chaque cellule au sein de l'organo?de.
Cette procédure génère toutefois d'immenses ensembles de données : Chaque cellule de l'organo?de possède 20'000 gènes, chaque organo?de se compose à son tour de plusieurs milliers de cellules. "Cela donne une matrice gigantesque que nous ne pouvons résoudre qu'à l'aide de programmes appropriés et de l'apprentissage automatique", explique Jonas Fleck, doctorant dans le groupe Treutlein et l'un des premiers auteurs de l'étude. Afin d'analyser les données et de prédire les mécanismes de régulation des gènes, les chercheurs ont développé leur propre programme. "Cela nous permet de générer tout un réseau d'interaction pour chaque gène et de prédire ce qui se passe dans les cellules réelles en cas de défaillance de ce gène", explique Fleck.
Identifier les interrupteurs génétiques
L'objectif de cette étude était d'identifier systématiquement les interrupteurs génétiques qui influencent de manière déterminante le développement des cellules nerveuses dans différentes régions des organo?des.
A l'aide d'un système Crispr/Cas, les chercheurs de l'ETH ont désactivé de manière ciblée un gène dans une cellule à la fois, et près de deux douzaines de gènes simultanément dans l'organo?de entier. Ils ont ainsi pu déterminer le r?le joué par chaque gène dans le développement de l'organo?de cérébral.
"Cette méthode permet de vérifier les gènes impliqués dans les maladies. En outre, on peut voir quel effet ces gènes ont sur le développement de différentes cellules à l'intérieur de l'organo?de du cerveau", explique Sophie Jansen, qui est également doctorante dans le groupe de Treutlein et deuxième co-auteur de l'étude.
Vérification de la formation des modèles du cerveau antérieur
Pour vérifier la théorie expérimentalement, les chercheurs ont choisi le gène GLI3 à titre d'exemple. Ce gène est le mode d'emploi du facteur de transcription du même nom, une protéine qui se fixe à certains endroits du patrimoine génétique et régule ainsi un autre gène. Ainsi, la machinerie cellulaire ne peut pas lire ce gène et le transcrire en une molécule d'ARN (transcription).
Chez la souris, des mutations dans le gène GLI3 entra?nent notamment des malformations du système nerveux central. Son r?le dans le développement neuronal de l'homme n'avait pas été étudié jusqu'à présent. On sait que des mutations dans ce gène entra?nent différentes maladies, comme la céphalopolysyndactylie de Greig ou le syndrome de Pallister-Hall.
En rendant muet ce gène GLI3, les chercheurs ont pu d'une part vérifier leurs prédictions théoriques et d'autre part constater directement dans la culture cellulaire comment la défaillance de ce gène se répercutait sur le développement ultérieur de l'organo?de cérébral. "Nous avons pu montrer pour la première fois que le gène GLI3 est impliqué dans la formation des schémas cérébraux antérieurs chez l'homme. Cela n'avait été montré auparavant que chez la souris", explique Treutlein.
Les systèmes modèles reflètent la biologie du développement
"Ce qui est passionnant dans cette recherche, c'est que l'on peut utiliser les données pangénomiques de tant de cellules individuelles pour postuler le r?le des gènes individuels", explique-t-elle. "Ce qui est tout aussi excitant pour moi, c'est que ces systèmes modèles fabriqués dans la bo?te de Pétri reflètent vraiment la biologie du développement telle que nous la connaissons chez la souris".
Ce qui est fascinant, c'est que l'on obtient dans un milieu un tissu auto-organisé avec des structures comparables à celles du cerveau humain. Non seulement au niveau morphologique, mais aussi - comme l'ont montré les chercheurs dans leur dernière étude - au niveau de la régulation des gènes et de la formation de modèles. "On peut vraiment avoir besoin de tels organo?des pour étudier la biologie du développement humain", souligne Treutlein.
Des organo?des cérébraux à usages multiples
La recherche sur les organo?des issus de matériel cellulaire humain présente l'avantage que les connaissances acquises peuvent être transférées à l'homme. Elles peuvent être utilisées non seulement pour étudier la biologie fondamentale du développement, mais aussi le r?le des gènes dans les maladies ou les troubles du développement du cerveau. Treutlein et ses collaborateurs sont ainsi en train d'étudier, à l'aide de tels organo?des, la cause génétique de l'autisme ou de l'hétérotopie, dans lesquels les cellules nerveuses ne sont pas situées à l'endroit anatomiquement habituel dans le cortex cérébral.
Les organo?des peuvent également être utilisés pour le criblage de substances actives, et éventuellement pour la culture d'organes ou de parties d'organes transplantables. Le secteur pharmaceutique est très intéressé par de telles cultures de cellules, comme le confirme Treutlein.
Cependant, la culture d'organo?des demande beaucoup de temps et de travail. De plus, chaque amas de cellules se développe de manière individuelle et non standardisée. Treutlein travaille donc avec son équipe à l'amélioration des organo?des et à l'automatisation du processus de fabrication.
Atlas des cellules humaines
L'étude et la cartographie des organo?des cérébraux sont intégrées dans le "Human Developmental Cell Atlas" ; ce dernier fait à son tour partie du "Human Developmental Cell Atlas".page externeAtlas des cellules humaines". Avec l'Atlas des cellules humaines, les chercheurs du monde entier veulent cartographier tous les types de cellules du corps humain et rassembler des données sur les gènes actifs dans telle ou telle cellule, à quel moment, et quels gènes pourraient être impliqués dans des maladies. La directrice de l'Atlas des cellules humaines est la professeure de biologie du MIT Aviv Regev, qui a re?u le titre de docteur honoris causa de l'ETH Zurich en 2021. La professeure de l'ETH Barbara Treutlein co-coordonne le sous-domaine "Organoid Cell Atlas". Son objectif est de cartographier tous les stades cellulaires qui peuvent être produits en culture cellulaire et de les comparer avec les cellules originales du corps humain.
Référence bibliographique
Fleck JS, Jansen SMJ, Wollny D, Seimiya M, Zenk F, Santel M, He Z, Camp JG, Treutlein B. Inferring and perturbing cell fate regulomes in human brain organoids. Nature (2022), publié en ligne le 5 octobre. Doi : page externe10.1038/s41586-022-05279-8